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1932年对于核物理学来说是重要的一年,因为查德维克发现了中子,然后核物理学家意识到原子核是由质子和中子构成的。在1911年卢瑟福发现原子核之后,很多人就开始琢磨原子核是由什么组成的这样的基本问题,以及如何组成的。在1932年之前,只是发现了质子和电子,于是很多人都琢磨怎么用这两个粒子来构成原子核。所以说,核结构领域有一个漫长的前奏,也是讨论原子核的结构,但是根本上说是错误的。
这个问题在开始的时候还是有效的,但是当量子力学诞生以后,特备是量子统计性的发现,导致用质子和电子构造原子核,变成了一个不可能的事情。所以很多时候,理论往往不一定是正确的,当新的实验发现以后,理论往往也会变化。
理论是会进化的。
对于客观世界的理解,就好像剥洋葱,剥了一层还有一层,而每次都会让我们有新的想法。今天的核结构理论是建立在原子核是由质子和中子构成的基础上的。这个认知是符合实际的结果的,但是随着实验的进步,一些细节也开始变得不一样。
核子(质子和中子的总称)之间的结合能,相对核子自身的质量而言非常小,不到1%。这是一个很早被发现,但是一直不能完全解释的现象,也就是原子核的饱和性。在开始的时候,虽然意识到原子核中有质子和中子,但是没有更加细微的图像,质子和中子,就好像两种硬球一样,通过强作用力结合在了一起。强作用力看来没有怎么改变质子和中子,就好像电磁作用,不需要考虑电子自身的变化一样。
但是电子太小了,根本就看不到形状。但是质子和中子不是这样,是有特定的大小的。这是有趣的问题。
后来我们知道,质子和中子,是一个极其复杂的复合粒子,里边究竟是什么样子的,我们到现在依然不是很清楚。
但是这些新进展,却没有影响到我们对于核结构的理解。到今天来看,这是很不可思议的。
从中子发现以后,核结构领域的发展非常迅速。虽然那个时候由于战争,做研究并不容易,但是一些基本的概念也的确开始出现。而且从实验来看,似乎还彼此有些冲突。液滴的概念出现以后,使得我们意识到,在原子的中心悬浮着一颗奇异的液滴。而中子发现以后,使得我们意识到,这个液滴居然还有两种成分,是一个双流体的液滴。由于质子和中子都是费米子,彼此之间有相互排斥的趋势,所以这个液滴更加奇异。再加上奇特的强作用,怎么看都是世界上最复杂的小东西。
这个结论的确是正确的,就是到今天,我们对于原子核的理解依然只能说是出于初级阶段。虽然后来我们已经知道,强力的基础是量子色动力学,但是这个方程并没有告诉我们关于原子核的所有的奥秘,因为这个方程很难计算。
但是一些最基本的概念一点点的建立起来了,比如原子核的形状。即使在发现中子的时候,有些人也开始猜想,原子核除了是球形的,也可能会发生形变。而一些原子核的质子数和中子数为特定的数值时(幻数)会特别稳定。
这是很有趣的事情。随着实验的不断发现,我们发现原子核的确对质子数和中子数很敏感。到今天,随着大量实验数据的发现,我们甚至发现,原子核的性质对于质子数和中子数的敏感性超出想象,改变两个质子或者两个中子,都会出现实质性的变化。
这让人困惑。原子核中就是质子和中子,然后数量在增加,但是性质却极大的变化。这个问题是核结构的基本问题,但是毫无疑问,这种敏感性意味着更深次的问题。这个奇特的双流液滴,当增加或减少两个质子或者中子的时候,它的性质会发生极大的变化。这个和我们平常理解的电荷液滴,是极其不同的。
查德维克是卢瑟福的学生,在没有发现中子之前,就意识到原子核中应该存在一种新的粒子,所以当就机会来临的时候,查德维克抓住了这个机会,成为了新的大佬。
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